專利名稱：含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳化鎢(WC)材料及其制備方法，具體是指含氧化鋁(Al2O3)顆粒與氮化硅(P-Si3N4)晶須的碳化鎢復合材料及制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金是由硬質(zhì)WC相和低熔點金屬類粘結(jié)相組成，其中WC具有極高的硬度和優(yōu)異的抗氧化性和耐腐蝕性，而金屬類粘結(jié)劑的加入不可避免地會削弱合金的硬度、耐磨損、抗氧化和耐腐蝕等性能，另外還很有可能會使合金的耐磨性下降，特別是在高溫下金屬粘結(jié)相易軟化和氧化等特性，均會使得WC硬質(zhì)合金容易出現(xiàn)過快失效，從而限制了 WC硬質(zhì)合金的應(yīng)用范圍，為此，本領(lǐng)域研究者一直為擺脫金屬粘結(jié)劑的局限而努力。另外，傳統(tǒng)硬質(zhì)合金體系中最常見的是WC-C0合金，而Co資源的稀缺性以及其戰(zhàn)略地位均要求WC硬質(zhì)合金應(yīng)盡可能減少或避免Co作為粘結(jié)相。中國專利200410068022. 8公開了一種超細純碳化鎢的燒結(jié)方法，該方法是利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備不含任何粘結(jié)相的純WC材料，獲得的致密純WC材料有著極高的硬度和優(yōu)異的耐磨性，但由于其斷裂韌性低，為此嚴重阻礙了該材料的應(yīng)用。WC的化學鍵主要為共價鍵，有著陶瓷材料的固有脆性。長期以來，利用傳統(tǒng)陶瓷材料的強韌化方法 (如顆粒或晶須強韌化)對WC進行增韌的研究一直嚴重落后于WC-Co的研究，而鮮有報導。在一般陶瓷材料中，通過外加晶須對材料進行強韌化處理，可以有效地提高材料的強度和韌性，但是這種外加晶須的方法往往存在著晶須容易相互纏繞、團聚，難以分散等問題，而且操作人員直接接觸晶須可能帶來健康危害，使得其可操作性大大降低。中國專利 200610011114. 1提出了一種原位自生β-Si3N4晶須增韌Si3N4基陶瓷以及一種利用Ei-Si3N4 顆粒在高溫下向β-Si3N4轉(zhuǎn)變從而在基體內(nèi)原位生成β-Si3N4晶須的方法。這種原位生成晶須的方法不僅可增韌陶瓷基體，而且可以很好地解決通常外加陶瓷晶須時遇到的晶須容易相互纏繞、團聚，難以分散等問題，而且也避免了操作人員直接接觸晶須所可能帶來的健康危害。但這種方法目前只限用于Al2O3基和Si3N4基等少數(shù)幾種材料中，其應(yīng)用還有待進一步開發(fā)研究。在不添加金屬粘結(jié)劑的前提下，進一步提高WC材料的韌性又盡可能地利用純WC 的高硬度特點，是本領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)的熱點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種不含金屬粘結(jié)相的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料。本發(fā)明的另一個目的在于利用顆粒與原位自生晶須協(xié)同增韌，提供一種含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法。本發(fā)明的目的可以通過如下措施來實現(xiàn)含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其特征在于所述碳化鎢復合材
4料含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相；所述氧化鋁顆粒的質(zhì)量百分比為0. 5 3% ；所述氮化硅晶須為原位自生P-Si3N4晶須，其質(zhì)量百分比為 0. 4 10%。所述原位自生β -Si3N4晶須的長徑比彡3。含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法，其特征在于所述制備方法包括如下步驟及其工藝條件步驟一備料將WC、A1203、B-Si3N4粉末按下述質(zhì)量百分比配比原料粉末WC87 99 %， Al2O3O. 5 3%，顆粒為0.5 10 μ m的a-Si3N40. 5 10%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；步驟二 粉末分散與混合將上述原料粉末置于有機或無機溶劑中，采用強制手段使團聚粉末分散，再將所得漿料進行濕式低能球磨，制得混合漿料；步驟三粉末干燥與過篩將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量< 1 %，然后碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250 μ m的混合粉末；步驟四燒結(jié)粉末采用放電等離子燒結(jié)或熱壓燒結(jié)技術(shù)對上述混合粉末進行成型和燒結(jié)。所述Al2O3與a_Si3N4的質(zhì)量比彡1/10。所述有機溶劑為乙醇，無機溶劑為水；所述強制手段是指超聲震蕩和機械攪拌協(xié)同作用下實施團聚粉末分散。所述放電等離子燒結(jié)為一步燒結(jié)工藝或兩步燒結(jié)工藝，所述一步燒結(jié)工藝條件如下燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)壓力30 70Mpa，燒結(jié)升溫速率50 300°C /min,燒結(jié)溫度1550 1900°C，燒結(jié)保溫時間0 20min，燒結(jié)真空度彡4Pa;所述兩步燒結(jié)工藝條件如下第一步燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)壓力30 70Mpa，燒結(jié)升溫速率50 300°C /min,燒結(jié)溫度1550 1900°C，燒結(jié)保溫時間0 20min，燒結(jié)真空度彡4Pa;第二步燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，燒結(jié)壓力30 70Mpa，
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降溫速率50 300°C /min,燒結(jié)溫度1；350 1550°C，燒結(jié)保溫時間0 20min，燒結(jié)真空度彡4Pa。所述熱壓燒結(jié)為一步燒結(jié)工藝或兩步燒結(jié)工藝，所述一步燒結(jié)工藝條件如下燒結(jié)壓力30 70Mpa，燒結(jié)升溫速率5 20°C /min,燒結(jié)溫度1550 1900°C，燒結(jié)保溫時間0 120min，燒結(jié)氣氛真空度彡4Pa或0. IMPa的N2氣氛保護；所述兩步燒結(jié)工藝條件如下第一步燒結(jié)壓力30 70Mpa，燒結(jié)升溫速率5 20°C /min,燒結(jié)溫度1550 1900°C，燒結(jié)保溫時間0 120min，燒結(jié)氣氛真空度彡4Pa或0. IMPa的N2氣氛保護；第二步燒結(jié)壓力30 70Mpa，降溫速率5 20°C /min,燒結(jié)溫度1；350 1550°C，燒結(jié)保溫時間0 120min，燒結(jié)氣氛真空度彡4Pa或0. IMPa的N2氣氛保護。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下突出的優(yōu)點1、本發(fā)明制備的WC復合材料是一種由Al2O3顆粒與原位自生β -Si3N4晶須協(xié)同增韌的不含有任何金屬粘結(jié)相的WC復合材料，它具有優(yōu)良的硬度、耐磨性和高溫力學性能， 以及中等的韌性，它適合作為刀具如可轉(zhuǎn)位刀片等，塑性加工工具如拉絲模等，也適合作為剪切工具如沖剪模等。2、本發(fā)明制備的WC復合材料不含有Co，與傳統(tǒng)WC-Co硬質(zhì)合金相比，它不僅可以降低成本，還可以節(jié)約稀缺而且具戰(zhàn)略性的Co資源。3、本發(fā)明制備的WC復合材料，它不含有任何金屬粘結(jié)相，因而它比以金屬作為粘結(jié)相的WC基硬質(zhì)合金具有更高的硬度和更優(yōu)異的耐磨性能，尤其是在較高的工作溫度下不會因為金屬的軟化而導致材料硬度大幅度下降，因此它更適合應(yīng)用在對硬度和耐磨性要求比較高或工作溫度比較高的條件下，譬如可用作切削高強合金、高速切削的刀具和拉絲模等。另外，它的抗氧化和耐腐蝕性能也有顯著提高，因此也更適用于各種腐蝕性環(huán)境中， 譬如作為特殊的密封材料，從而擴大了 WC材料的應(yīng)用范圍。4、本發(fā)明制備的WC復合材料，它含有Al2O3顆粒與β-Si3N4晶須，由于兩者的協(xié)同增韌，因此可以獲得比純WC或由單一陶瓷組元增韌WC材料更高韌性的無粘結(jié)相WC材料。5、本發(fā)明制備方法采用了原位自生法在WC基體中引入β -Si3N4晶須，充分利用
6了 a-Si3N4在高溫下向β-Si3N4轉(zhuǎn)變以及β-Si3N4晶粒易沿特定晶面生長的特點。在初始材料粉末的準備中，只需將a_Si3N4顆粒粉末與其它顆粒粉末充分均勻混合即可以在隨后的燒結(jié)過程中在WC晶間生成均勻分布的β -Si3N4晶須，經(jīng)X射線衍射分析得到，a_Si3N4向 β -Si3N4轉(zhuǎn)變的最終轉(zhuǎn)化率> 80%。為此本發(fā)明不但很好地解決了通常外加陶瓷晶須時遇到的晶須容易相互纏繞、團聚，難以分散等問題，而且也避免了操作人員直接接觸晶須所可能帶來的健康危害。6、本發(fā)明采用相對廉價的Al2O3與a_Si3N4粉末作為原料，可以降低WC基硬質(zhì)材料的生產(chǎn)成本。加入的Al2O3既作為a-Si3N4向β -Si3N4轉(zhuǎn)變的燒結(jié)助劑，同時也作為顆粒增韌相彌散分布在WC基體中。7、本發(fā)明采用的B-Si3N4粉末其表面不可避免地存在少量的SiO2，在燒結(jié)過程中， SiO2與Al2O3在1587°C左右會發(fā)生共晶發(fā)應(yīng)形成液相，從而促進材料的致密化，為在相對較低的燒結(jié)溫度下制備致密的無粘結(jié)相WC材料提供了可能。


圖1為實施例1獲得的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的斷口形貌掃描電鏡(S EM)圖；圖2為實施例1獲得的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的顯微組織 S EM 圖；圖3為實施例2獲得的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的斷口形貌 S EM 圖；圖4為實施例2獲得的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的顯微組織 S EM 圖；圖5為實施例3獲得的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的斷口形貌 S EM 圖；圖6為實施例3獲得的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的顯微組織 S EM 圖。
具體實施例方式通過如下實施例對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不僅限于此。實施例1含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法包括如下步驟及其工藝條件步驟一備料將WC、A1203、a_Si3N4粉末按下述質(zhì)量百分比用量進行配比WC 96%, Al2O3I %， a-Si3N43%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；WC粉末純度彡98. 7%、粒度約lOOnm，Al2O3粉末純度彡99. 9%、粒度1 2μπι，a-Si3N4粉末表面氧含量為3 5wt. %，粒度0. 8 1 μ m。步驟二 粉末分散與混合將上述原料粉末浸沒于乙醇中，進行超聲震蕩加機械攪拌，使團聚粉末分散，再將所得漿料進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確(500mL)與磨球材質(zhì)為Al2O3陶
7瓷，球料比為2 1，在轉(zhuǎn)速200r/min工況下，球磨30小時制得混合漿料。步驟三粉末干燥與過篩將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量< 1 %，然后碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250 μ m的混合粉末。步驟四燒結(jié)粉末將步驟三所得的混合粉末稱取60g裝入直徑為Φ30πιπι的石墨燒結(jié)模具中進行放電等離子一步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為70MPa，燒結(jié)溫度為 1800°C，升溫速率為100°C /min，保溫時間為5min，真空度為4Pa。通過以上方法制備，所得碳化鎢復合材料含氧化鋁顆粒的質(zhì)量百分比約為；原位自生β-Si3N4晶須的質(zhì)量百分比約為2.5%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相。上述無粘結(jié)相含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其硬度為HVltlIS. 65GPa，斷裂韌性為7. 25MPa*mV2(斷裂韌性是通過維氏硬度壓痕法進行測量(Anstis G R, Chantikul P， Lawn B R, et al. , Acritical—evaluation of indentation techniques for measuring fracture toughness. 1. direct crack measurements[J]. Journal of the American Ceramic Society, 1981. 64(9) :533-538))，其斷口形貌與顯微組織形貌分別如圖1，圖2所示。根據(jù)圖1所示的斷口形貌估算出材料基體的晶粒尺寸為200 SOOnm ；根據(jù)圖2所示的材料體內(nèi)β -Si3N4晶須的長徑比為5 6。實施例2含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法包括如下步驟及其工藝條件步驟一備料將WC、A1203、a_Si3N4粉末按下述質(zhì)量百分比用量進行配比=WC 94%, A12031 %， a-Si3N45%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；WC粉末純度彡98. 7%、粒度約lOOnm，Al2O3粉末純度彡99. 9%、粒度1 2μπι，a-Si3N4粉末表面氧含量為3 5wt. %，粒度0. 8 1 μ m。步驟二 粉末分散與混合將上述原料粉末浸沒于乙醇中，進行超聲震蕩加機械攪拌，使團聚粉末分散，再將所得漿料進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確(500mL)與磨球材質(zhì)為Al2O3陶瓷，其球料比為2 1，在轉(zhuǎn)速200r/min工況下，球磨30小時制得混合漿料。步驟三粉末干燥與過篩將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量< 1 %，然后碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250 μ m的混合粉末。步驟四燒結(jié)粉末將步驟三所得的混合粉末稱取60g裝入直徑為Φ30πιπι的石墨燒結(jié)模具中進行放電等離子兩步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為70MPa，真空度為4Pa， 燒結(jié)分兩步完成先以100°C /min的升溫速率升至1550°C，保溫lOmin，隨后以50°C /min 的降溫速率降至1450°C，再保溫lOmin，燒結(jié)完成。通過以上步驟制備，所得碳化鎢復合材料含氧化鋁顆粒的質(zhì)量百分比約為；原位自生β-Si3N4晶須的質(zhì)量百分比約為4.5%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相。上述無粘結(jié)相含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其硬度為HV1(l21.42GPa，斷裂韌
8性為5. 94MPa .Hi1^其斷口形貌與顯微組織形貌分別如圖3，圖4所示。根據(jù)圖3所示的斷口形貌估算出材料基體的晶粒尺寸為100 300nm ；根據(jù)圖4所示的材料體內(nèi)β -Si3N4晶須的長徑比為3 5。實施例3含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法包括如下步驟及其工藝條件步驟一備料將WC、A1203、a-Si3N4粉末按下述質(zhì)量百分比用量進行配比=WC 97%, Al2O3I %， a-Si3N42%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；WC粉末純度彡98. 7%、粒度約lOOnm，Al2O3粉末純度彡99. 9%、粒度1 2μπι，a-Si3N4粉末表面氧含量為3 5wt. %，粒度0. 8 1 μ m。步驟二 粉末分散與混合將上述原料粉末浸沒于乙醇中，進行超聲震蕩加機械攪拌，使團聚粉末分散，再將所得漿料進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確(500mL)與磨球材質(zhì)為Al2O3陶瓷，其球料比為2 1，在轉(zhuǎn)速200r/min工況下，球磨30小時制得混合漿料。步驟三粉末干燥與過篩將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量< 1 %，然后碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250 μ m的混合粉末。步驟四燒結(jié)粉末將步驟三所得的混合粉末稱取60g裝入直徑為Φ30πιπι的石墨燒結(jié)模具中進行熱壓兩步燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為70MPa，燒結(jié)氣氛為N2(0. IMPa)，燒結(jié)分兩步完成先以20°C/ min的升溫速率升至1550°C，保溫60min，隨后以10°C /min的降溫速率降至1450°C，再保溫 60min，燒結(jié)完成。通過以上步驟制備，所得碳化鎢復合材料含氧化鋁顆粒的質(zhì)量百分比約為；原位自生β-Si3N4晶須的質(zhì)量百分比約為1.7%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相。上述無粘結(jié)相含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其硬度為HV1(I22. 87GPa，斷裂韌性為5. 64MPa .Hi1^其斷口形貌與顯微組織形貌分別如圖5，圖6所示。根據(jù)圖5所示的斷口形貌估算出材料基體的晶粒尺寸為100 200nm ；根據(jù)圖6所示的材料體內(nèi)β -Si3N4晶須的長徑比為3 4。實施例4含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法包括如下步驟及其工藝條件步驟一備料將WC、Al203、a-Si3N4粉末按下述質(zhì)量百分比用量進行配比WC 99%, Al2O3O. 5%, B-Si3N4O. 5 %，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；WC粉末純度彡99. 9%、粒度約800nm，Al2O3粉末純度彡99. 9%、粒度1 2ym，a-Si3N4粉末表面氧含量為3 5wt. %，粒度8 10 μ m。步驟二 粉末分散與混合將上述原料粉末浸沒于乙醇中，進行超聲震蕩加機械攪拌，使團聚粉末分散，再將所得漿料進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確(500mL)與磨球材質(zhì)為Al2O3陶瓷，球料比為2 1，在轉(zhuǎn)速200r/min工況下，球磨30小時制得混合漿料。
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步驟三粉末干燥與過篩將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量< 1 %，然后碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250 μ m的混合粉末。步驟四燒結(jié)粉末將步驟三所得的混合粉末稱取60g裝入直徑為Φ30πιπι的石墨燒結(jié)模具中進行放電等離子一步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為 1900°C，升溫速率為50°C /min，燒結(jié)過程不保溫，真空度為4Pa。通過以上方法制備出，所得碳化鎢復合材料含氧化鋁顆粒的質(zhì)量百分比約為0.5% ；原位自生β-Si3N4晶須的質(zhì)量百分比約為0.4%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相。上述無粘結(jié)相含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其硬度為 HV1023. 20GPa，斷裂韌性為5. 45MPa · mV2，材料基體的晶粒尺寸為800 IOOOnm ；材料體內(nèi) β -Si3N4晶須的長徑比為4 5。實施例5含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法包括如下步驟及其工藝條件步驟一備料將WC、A1203、a_Si3N4粉末按下述質(zhì)量百分比用量進行配比=WC 87%, Al2033%, Ei-Si3N4IO%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；WC粉末純度彡99. 9%、粒度約600nm，Al2O3粉末純度彡99. 9%、粒度1 2μπι，a-Si3N4粉末表面氧含量為3 5wt. %，粒度6 8μπι。步驟二 粉末分散與混合將上述原料粉末浸沒于水中，進行超聲震蕩加機械攪拌，使團聚粉末分散，再將所得漿料進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確(500mL)與磨球材質(zhì)為Al2O3陶瓷， 球料比為2 1，在轉(zhuǎn)速200r/min工況下，球磨30小時制得混合漿料。步驟三粉末干燥與過篩將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量< 1 %，然后碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250 μ m的混合粉末。步驟四燒結(jié)粉末將步驟三所得的混合粉末稱取60g裝入直徑為Φ30πιπι的石墨燒結(jié)模具中進行放電等離子一步燒結(jié)，燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流，其中燒結(jié)壓力為50MPa，燒結(jié)溫度為 1550°C，升溫速率為300°C /min，保溫時間為20min，真空度為3Pa。通過以上方法制備，所得碳化鎢復合材料含氧化鋁顆粒的質(zhì)量百分比約為3% ；原位自生β-Si3N4晶須的質(zhì)量百分比約為10%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相。上述無粘結(jié)相含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其硬度為HV1(I17. 56GPa，斷裂韌性為7. 62MPa ·πι"2，材料基體的晶粒尺寸為600 800nm ；材料體內(nèi)β -Si3N4晶須的長徑比為 5 6。實施例6含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法包括如下步驟及其工藝條件步驟一備料
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將WC、A1203、a_Si3N4粉末按下述質(zhì)量百分比用量進行配比=WC 90%, Al2032%, a-Si3N48%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)；WC粉末純度彡98. 7%、粒度約lOOnm，Al2O3粉末純度彡99. 9 %、粒度1 2 μ m，B-Si3N4粉末表面氧含量為3 5wt. %，粒度0. 5 0. 8 μ m。步驟二 粉末分散與混合將上述原料粉末浸沒于水中，進行超聲震蕩加機械攪拌，使團聚粉末分散，再將所得漿料進行濕式低能球磨，所用球磨機為行星式，球磨確(500mL)與磨球材質(zhì)為Al2O3陶瓷， 球料比為2 1，在轉(zhuǎn)速200r/min工況下，球磨30小時制得混合漿料。步驟三粉末干燥與過篩將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量< 1 %，然后碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250 μ m的混合粉末。步驟四燒結(jié)粉末將步驟三所得的混合粉末稱取60g裝入直徑為Φ30πιπι的石墨燒結(jié)模具中進行熱壓一步燒結(jié)，其中燒結(jié)壓力為30MPa，燒結(jié)溫度為1550°C，升溫速率為5°C /min,保溫時間為 120min，真空度為4Pa。通過以上方法制備，所得碳化鎢復合材料含氧化鋁顆粒的質(zhì)量百分比約為2% ；原位自生β-Si3N4晶須的質(zhì)量百分比約為7%，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相。上述無粘結(jié)相含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其硬度為HVltlIS. 20GPa，斷裂韌性為6. 58MPa · m1氣材料基體的晶粒尺寸為200 IOOOnm ；材料體內(nèi)β -Si3N4晶須的長徑比為4 5。
1權(quán)利要求
1.含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其特征在于所述碳化鎢復合材料含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相；所述氧化鋁顆粒的質(zhì)量百分比為0. 5 3%;所述氮化硅晶須為原位自生β -Si3N4晶須，其質(zhì)量百分比為0. 4 10%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料，其特征在于所述原位自生i3-Si3N4晶須的長徑比彡3。
3.含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法，其特征在于所述制備方法包括如下步驟及其工藝條件步驟一備料將WC、A1203、B-Si3N4粉末按下述質(zhì)量百分比配比原料粉末WC87 99%，Al2O3O. 5 3%，顆粒為0. 5 IOym的a_Si3N40. 5 10%，其余為不可避免的微量雜質(zhì)； 步驟二 粉末分散與混合將上述原料粉末置于有機或無機溶劑中，采用強制手段使團聚粉末分散，再將所得漿料進行濕式低能球磨，制得混合漿料； 步驟三粉末干燥與過篩將上述混合漿料置于干燥爐內(nèi)烘干至溶劑殘余量< 1 %，然后碾碎、過篩，得到顆粒尺寸< 250 μ m的混合粉末； 步驟四燒結(jié)粉末采用放電等離子燒結(jié)或熱壓燒結(jié)技術(shù)對上述混合粉末進行成型和燒結(jié)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法， 其特征在于所述Al2O3與a-Si3N4的質(zhì)量比彡1/10。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法， 其特征在于所述有機溶劑為乙醇，無機溶劑為水；所述強制手段是指超聲震蕩和機械攪拌協(xié)同作用下實施團聚粉末分散。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法， 其特征在于所述放電等離子燒結(jié)為一步燒結(jié)工藝或兩步燒結(jié)工藝，所述一步燒結(jié)工藝條件如下燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流， 燒結(jié)壓力30 70Mpa， 燒結(jié)升溫速率50 300°C /min, 燒結(jié)溫度:1550 1900 °C, 燒結(jié)保溫時間0 20min， 燒結(jié)真空度<4Pa; 所述兩步燒結(jié)工藝條件如下 第一步燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流， 燒結(jié)壓力30 70Mpa， 燒結(jié)升溫速率50 300°C /min, 燒結(jié)溫度:1550 1900 °C,燒結(jié)保溫時間0 20min， 燒結(jié)真空度<4Pa;第二步燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流， 燒結(jié)壓力30 70Mpa， 降溫速率50 300°C /min, 燒結(jié)溫度1；350 1550°C， 燒結(jié)保溫時間0 20min， 燒結(jié)真空度4Pa。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料的制備方法，其特征在于所述熱壓燒結(jié)為一步燒結(jié)工藝或兩步燒結(jié)工藝，所述一步燒結(jié)工藝條件如下燒結(jié)壓力30 70Mpa，燒結(jié)升溫速率5 20°C /min,燒結(jié)溫度:1550 1900 °C,燒結(jié)保溫時間0 120min，燒結(jié)氣氛真空度彡4 或0. IMPa的N2氣氛保護；所述兩步燒結(jié)工藝條件如下第一步燒結(jié)壓力30 70Mpa， 燒結(jié)升溫速率5 20°C /min, 燒結(jié)溫度:1550 1900°C, 燒結(jié)保溫時間0 120min，燒結(jié)氣氛真空度彡4 或0. IMPa的N2氣氛保護；第二步燒結(jié)壓力30 70Mpa，降溫速率5 20°C /min,燒結(jié)溫度:1350 1550，燒結(jié)保溫時間0 120min，燒結(jié)氣氛真空度彡4Pa或0. IMPa的N2氣氛保護。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含氧化鋁顆粒與氮化硅晶須的碳化鎢復合材料及制備方法。該碳化鎢復合材料含按質(zhì)量百分比0.5～3％的氧化鋁顆粒和0.4～10％的氮化硅晶須，其余為碳化鎢以及不可避免的雜質(zhì)相；所述氮化硅晶須為原位自生β-Si3N4晶須。本發(fā)明制備的WC復合材料不含任何金屬粘結(jié)相，具有優(yōu)良的硬度、耐磨性和高溫力學性能，以及中等的韌性；本發(fā)明不僅可以降低WC復合材料制備的成本，還有效地擴大了其應(yīng)用范圍，該材料適合作為刀具如可轉(zhuǎn)位刀片等，塑性加工工具如拉絲模等，也適合作為剪切工具如沖剪模等。
文檔編號C04B35/622GK102390998SQ20111022340
公開日2012年3月28日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者屈盛官, 李元元, 李小強, 楊超, 肖志瑜, 邵明, 鄭東海 申請人:華南理工大學